thumb|upright=1.5|Exemple de fissuration par corrosion sous contrainte causée par la tension exercée par un collier de renforcement soudé de façon inadéquate. Trois facteurs (milieu, matériau et mécanique) sont généralement simultanément en cause.
La corrosion sous contrainte (ou CSC) d'un métal ou d'un alliage résulte généralement de l'action conjuguée de trois facteurs : une contrainte mécanique en tension (contrainte résiduelle ou appliquée) ; un milieu environnant agressif ; un matériau sensible au phénomène de CSC, au moins dans certaines conditions.
Dans le domaine de l'industrie nucléaire, l'acronyme PWSCC est parfois utilisé, pour ., que l'on peut traduire par « corrosion sous contrainte en milieu primaire ».
La CSC est un phénomène particulièrement insidieux : initialement très discret, il est ensuite difficile d'en prévoir la vitesse et l'intensité. Il est redouté car il peut aboutir à une défaillance soudaine et « catastrophique » du matériau (et ce, à une valeur bien inférieure à sa limite de résistance mécanique normale).
Condition d'apparition et de développement Il est généralement estimé que trois conditions doivent être synergiquement réunies pour qu'il y ait apparition (puis diffusion) d'un phénomène de corrosion sous contrainte. : : contrainte mécanique (appliquée ou résiduelle, c'est-à-dire faisant par exemple suite à une soudure, le cintrage, l'écrouissage, ou le laminage à froid du matériau) ; condition physicochimique agressive du milieu : température (qui peut de plus être source de chocs thermiques, de phénomènes de dilatation ou de rétraction, et de variation de pression du milieu) ; potentiel hydrogène ; composition du milieu et éventuelle irradiation (neutronique, à haute énergie). ; sensibilité du matériau à la corrosion sous contrainte (dans certaines conditions de contraintes et de milieu).
Par exemple, une « corrosion sous contrainte chlorure » peut se produire ..
D'autres conditions augmentant la probabilité d'apparition de fissures par CSC ou augmentant leur vitesse de croissance sont par exemple le type et la forme du matériau (design de l'installation), la fluence (sous irradiation neutronique), la teneur en carbone de l'acier (le cas échéant), le type de procédure de soudage…
La direction générale de propagation des fissures est perpendiculaire à la plus grande contrainte (résiduelle ou subie par le matériau au moment du phénomène)..
Initiation et propagation L'évolution de la fissuration par corrosion sous contrainte se fait en deux ou trois étapes : incubation, initiation (intra- ou intergranulaire) puis propagation..
Durant la période d'« incubation » et d'amorçage, la fissure peut être petite voire infime et ne pas se propager, même lorsque les conditions mécaniques requises pour une propagation sont présentes. Les fissures ne se propagent que lorsque la contrainte en traction est supérieure à un certain seuil (contrainte limite de rupture), qui dépend de la sensibilité du matériau et du milieu aqueux agressif environnant. Au-delà, la vitesse de propagation augmente avec la contrainte.
La détection de la CSC est donc très difficile. Avant la phase de propagation de fissures, elle peut facilement passer inaperçue.
Moyens de détection thumb|Surface en acier présentant des fissures de corrosion sous contrainte. Deux groupes de petites lignes noires ont ici été rendus visibles grâce à un traitement préalable avec des microparticules magnétiques s'accumulant aux lèvres des fissures. (Échelle en centimètres.).
La corrosion sous contrainte devient visuellement détectable à partir d'un certain stade. Elle peut cependant être cachée, sous la peinture, à l'intérieur d'un tuyau ou autre objet métallique concerné, ou parfois sous une gaine d'isolant thermique.
Le contrôle par ultrasons permet une détection non invasive d'indices de corrosion et de fissuration induites, mais ne renseigne pas sur la profondeur, les caractéristiques physicochimiques, l'étendue ni la vitesse du phénomène. Elle peut être rendue difficile ou impossible dans certaines configurations. L'étude ou la confirmation du phénomène, notamment de la fissuration, se font donc généralement dans un laboratoire spécialisé, par des moyens d'observation physique, ce qui peut impliquer le démontage préalable partiel ou la dépose d'un élément à étudier.
Rôle de la contrainte mécanique La contrainte mécanique de traction en jeu dans le phénomène de corrosion sous contrainte peut être d'origine résiduelle (cintrage, écrouissage, laminage à froid, soudage…), thermique (dilatation), ou inhérente à la fonction d'une installation comme pour la pression (récipients sous pression, gazoducs, oléoducs, coques de sous-marin… ) ou la traction (câbles de ponts suspendus, structures de soutènement… ). Ce type de corrosion, particulièrement pernicieux et dangereux pour les installations, se caractérise par l'apparition de fissures intergranulaires ou transgranulaires dont la direction générale de propagation est perpendiculaire à la contrainte principale.
Les contraintes en tension (traction) sont particulièrement néfastes pour la corrosion du matériau car elles ouvrent les fissures naissantes et facilitent de ce fait l'accès des surfaces des fissures à l'environnement agressif (généralement une solution aqueuse), tandis que les contraintes en compression referment les fissures et protègent ainsi la surface du matériau fissuré du contact avec le milieu agressif.
Les conditions de fatigue, par exemple par chargement cyclique, peuvent altérer les propriétés de l'acier et favoriser l'initiation de fissures intergranulaires..
Rôle de l'environnement physicochimique Un environnement agressif est nécessaire pour l'apparition et l'entretien de ce type de corrosion. Son rôle est encore mal compris, car des taux minimes en certaines espèces chimiques très actives en corrosion localisée comme les chlorures (corrosion par piqûres) et les espèces réduites du soufre (sulfure d'hydrogène, sulfures, thiosulfates, ions polythionates).. suffisent à produire une fissuration catastrophique, pouvant conduire à une défaillance soudaine et dévastatrice ASM International, Metals Handbook (Desk Edition), chapitre 32 (), American Society for Metals..
L'acier inoxydable austénitique sensibilisé souffre de fissuration par corrosion sous contrainte dans les solutions aqueuses de tous les anions halogénures (F, Cl, Br et I), les chlorures semblant être les plus agressifs..
La présence d'hydrogène ( moléculaire et surtout H atomique) dans le milieu peut causer une fragilisation par l'hydrogène (, SCC)..
Le sulfure d'hydrogène () est également un « poison » empêchant la recombinaison de l'hydrogène atomique H en moléculaire et favorisant sa diffusion dans les métaux, est un cas particulièrement aigu qui affecte l'industrie pétrogazière exploitant des gisements d'hydrocarbures riches en hydrogène sulfuré. Le terme anglais attribué à ce dernier phénomène est celui de , qui pourrait se traduire par « corrosion sous contrainte induite par les sulfures ».
Corrosion sous contrainte assistée par irradiation (IASCC) Il est démontré que l'irradiation neutronique à haute énergie (telle qu'elle a lieu dans le cœur d'un réacteur à eau légère ou à eau lourde) augmente la susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) des aciers inoxydables, y compris austénitiques.
Les mécanismes de fragilisation en cause sont complexes et encore mal compris. Probablement liés à des synergies entre les effets conjoints de contraintes physiques, de l'irradiation et de la corrosion, ils font l'objet d'études sur les inox utilisés dans le secteur nucléaire. Même non sensibilisés, ces inox se montrent sujets à une fissuration intergranulaire après une longue irradiation neutronique, un phénomène préoccupant observé sur plusieurs composants internes et sur la cuve de certains réacteurs à eau bouillante (REB).
Des indices laissent penser qu'un alliage enrichi en chrome ou en silice limiterait l'IASC alors que le taux de carbone ou d'azote serait sans effet. ; d'autres sources concluent qu'un acier à bas taux de carbone résiste mieux au fluage ( inox de types 304L et 316L)..
Rôle de la nature du métal ou de la composition de l'alliage La nature du métal ou la composition de l'alliage déterminent la nature, la composition, la porosité, la densité et l'épaisseur de la couche d'oxydes qui se forment à la surface du métal et le protègent.
Les aciers inoxydables (alliages à base de fer, de symbole Fe)), contiennent du chrome (Cr), à minima 11 %, et souvent du nickel (Ni). Leurs teneurs en Cr et Ni conditionnent les caractéristiques de la couche d'oxyde protectrice et sa perméabilité aux agents agressifs (, , H, , et ions).
Cas particulier des aciers inoxydables Pour les teneurs de chrome élevées dans un acier inoxydable Cr/Ni, il se forme de l'oxyde de chrome(III) () protecteur alors que pour quelques pourcents de chrome seulement dans l'alliage, , moins protecteur, se forme préférentiellement..
La dimension des cristallites, leur orientation, les joints de grains, les dislocations, les défauts cristallins et la présence de carbures, de nitrures, ou d'hydrures au sein de la structure cristalline du matériau sont également des éléments importants pour sa sensibilité à la corrosion sous contrainte et qui dépendent directement de la nature et de la mise en œuvre du matériau (procédé de fabrication, soudage, traitements thermiques…).
Le taux de carbone des aciers inox austénitiques et la présence, ou non, d'additions stabilisantes comme le niobium (Nb) ou le titane (Ti) sont également importants : si ce taux de carbone est trop élevé, il se forme du carbure de chrome aux dépens de l'oxyde de chrome(III) protecteur qui constitue essentiellement la couche d'oxyde imperméable passivant la surface des aciers inoxydables. Et quelques centaines de ppm (mg/kg = 10−6) de niobium ajouté à l'acier lors de sa fabrication peuvent suffire à piéger de faibles teneurs en carbure et en nitrure interstitiels sous forme de carbure et de nitrure de niobium, améliorant considérablement les propriétés mécaniques de l'acier et sa résistance à la corrosion. Pour pouvoir résister à la corrosion sous contrainte, les aciers inoxydables AISI 304 et AISI 316 doivent être bas carbone (low carbon) d'où le suffixe L qui leur est alors ajouté. L'abaissement de la teneur en carbone de l'acier inoxydable permet de minimiser la précipitation de carbures de chrome comme Cr23C6 (un atome de carbone accapare à lui seul de près de quatre atomes de chrome protecteur) lorsque l'acier est porté à haute température, notamment au moment d'un soudage..
En effet, la sensibilisation des aciers inoxydables se produit par leur exposition à des températures élevées pendant le soudage, le traitement thermique ou les conditions de service, provoquant une précipitation de carbure de chrome aux joints de grains et un appauvrissement en chrome (déchromisation) dans les zones proches des joints de grains, favorisant ainsi l'attaque intergranulaire (IG) et la fissuration par corrosion sous contrainte intergranulaire (IGSCC).
Des traitements thermiques appropriés (trempe très rapide) peuvent également être mis en œuvre pour limiter la formation délétère de carbure de chrome au droit des soudures. Lors de la perte locale de l'oxyde de chrome par précipitation de carbure de chrome, des zones anodiques (réaction d'oxydation) se forment à cet endroit dans l'acier et le fer métallique (Fe0) de l'alliage se dissout sous forme d'ions ferreux (Fe2+). Simultanément, des zones cathodiques (réaction de réduction) se forment dans des régions avoisinantes où l'oxygène (O2) (conditions oxiques) ou les protons (H+) de l'eau (conditions anoxiques) sont réduits. Il s'ensuit une corrosion galvanique localisée (formation d'une pile électrique).
Réaction d'oxydation à l'anode: Fe → Fe + 2 e Réaction de réduction à la cathode: 2 + 2 e → 2 H